探索記憶電阻 創(chuàng)新人工智能
——記北京大學信息科學技術學院微納電子學研究院助理研究員黃鵬

倪海波

博士畢業(yè)照

阿里達摩院在2020年1月發(fā)布了《2020十大科技趨勢》報告，其中第二大趨勢為“計算存儲一體化突破AI算力瓶頸”。報告指出：“數據存儲單元和計算單元融為一體，能顯著減少數據搬運，極大提高計算并行度和能效。計算存儲一體化在硬件架構方面的革新，將突破AI算力瓶頸。”

現有的研究證明，憶阻器可替代經典計算機底層的晶體管，把馮·諾伊曼架構里的處理、內存、外存都融合在一起，構建存算一體陣列，以更小的功耗和更低的硬件成本大幅提升計算設備的算力，突破傳統計算框架“馮·諾依曼瓶頸”的限制。但現實遠比理想骨感，想要制備具有高一致性、高可靠性的多值憶阻器陣列十分困難。

北京大學信息科學技術學院微納電子學研究院助理研究員黃鵬敏銳地意識到，憶阻器潛力遠遠不止如此，就像當年晶體管替代電子管一樣，憶阻器可能給信息技術的物理基礎帶來顛覆性變化，可能給國家和軍隊帶來搶占信息技術未來制高點的重大戰(zhàn)略機遇。如果朝這條路發(fā)展下去的話，或許能再一次延續(xù)摩爾定律的生命，誕生出新一代的智慧機器人。

一切從興趣出發(fā)

黃鵬總能想起2011年的某個深夜，北大的校園里已經沒有什么人了，微納電子學研究院的辦公室卻還亮著燈，他正在熬夜修改自己的第一篇會議文章，這也是他第一次參加行業(yè)最頂級的會議，導師劉曉彥教授在旁邊耐心、細心、認真地指導他。“第一次寫毫無經驗，deadline（截止時間）也快到了，很著急。”黃鵬回憶道，導師劉曉彥教授幾乎是手把手地教他如何畫圖、如何更清楚地表達文章的意思、如何做一場好的報告，最后陪著他熬了好幾個通宵。多年以后，那些和老師一起通宵的夜晚，還是會讓黃鵬感動不已，他也慶幸選擇了感興趣的方向——微電子學，一路走來，有了一些成果。

黃鵬的大學4年是在西安電子科技大學度過的，學的是電子科學技術專業(yè)。學校給出的培養(yǎng)方案是在前兩年學習電子科學技術的通用課程，從第3年開始分方向選課。“電子科學技術是個一級學科，下面有4個二級學科，其中就有微電子學與固體電子學。”在第3年選課學習的過程中，黃鵬發(fā)現自己對微電子學方向更感興趣，更多地選擇了微電子學相關的課程，積累知識，開闊視野。

大三暑假，黃鵬開始著手準備保研的事情，他的成績不錯，收到了北京大學微納電子學研究院的面試通知。“我當時面試完感覺不是很好，但沒想到老師說題目還是比較難的，我回答得還是很不錯的。”老師的話像一針強心劑給了黃鵬很大的勇氣，他拒絕了其他學校的推免，開開心心地等著9月的開學。

來到北京大學后，黃鵬認認真真地跟著師兄師姐開組會，了解課題組的研究內容，一個月后他發(fā)現這些研究跟自己想的有些不一樣。導師劉曉彥教授似乎看出了黃鵬的困惑，主動找他聊天，問他對什么方向感興趣。

當時劉曉彥教授給了黃鵬兩個題目：一個題目是研究石墨烯，另一個題目是研究憶阻器。“劉老師還是比較開明的，不會要求我必須做什么，還是比較尊重我個人的興趣。”黃鵬看著這兩個題目，最后決定等十一假期過完再給老師回復。

10月，恰逢諾貝爾獎頒獎，當年的諾貝爾物理學獎授予了英國曼徹斯特大學的兩位科學家，表彰他們利用透明膠帶制備出二維石墨烯材料。出人意料的是，黃鵬并沒有選擇石墨烯作為自己的研究方向，“我還是想研究自己感興趣的東西”。整個十一假期，黃鵬查閱了數量可觀的文獻資料，他預感憶阻器會是未來的研究趨勢，所以最后他答復劉曉彥教授：“我想朝著憶阻器這個方向去研究。”

向大腦尋找答案

雖然已經決定做憶阻器的研究，但黃鵬之前從未接觸過憶阻器，如何把其中的物理機制描述出來、如何模擬器件變化的電學行為，他沒有任何可以參照的模型，想不出好的方法去做實驗。“后來和課題組里做晶體管的同學交流，他們的一些方法讓我很受啟發(fā)，我也嘗試著寫了一些程序，應用到憶阻器上。”

經過啟發(fā)后的黃鵬從零開始建立了鉿基氧化物阻變器件模擬程序，提出了適于電路模擬的阻變器件模型等，相關成果于2012年、2013年連續(xù)兩年在電子器件領域旗艦會議——IEEE電子器件會議國際會議（IEEE International Electron Devices Meeting）上作為第一完成人發(fā)表，受到斯坦福大學、比利時微電子研究中心（IMEC）等研究機構的關注。

2014年，黃鵬前往美國斯坦福（Stanford）大學做短期訪問學者，在這期間主要從事憶阻行為的HSPICE模型開發(fā)，并被學術界的同行廣泛采納使用。鑒于黃鵬在新型阻變存儲器（RRAM）模型模擬研究方面所做的出色工作，他獲得2014年美國電氣電子工程師學會下設的電子器件協會（IEEE Electron Device Society）博士研究生獎學金（Ph.D.student fellowship）。該協會每年在全球范圍內評選3位獲獎者，以獎勵在相關領域做出突出成績的在讀博士研究生。

轉眼間，黃鵬到了博士的畢業(yè)階段。“劉老師和我說，前面都是她給的題目，但是后面的研究我需要自己去思考，這個領域內還有哪些關鍵的科學問題需要去解決，要自己找方向。”導師的一席話讓黃鵬意識到，他還有很長很遠的路要走，不能滿足于目前取得的榮譽，停滯不前。

黃鵬花了很長的時間整理博士前4年的工作，整理完之后，他發(fā)現存內計算技術和類腦計算芯片會是憶阻器領域未來比較重要的研究方向，如果自己繼續(xù)朝著這個方向前進的話，說不定能給這個領域帶來一些新的變化。

2016年，黃鵬以第一作者的身份將論文《面向大規(guī)模信息處理應用的可重構非揮發(fā)存儲計算融合架構》（Reconfigurable nonvolatile logic operations in resistance switching crossbar array for large-scale circuits）在線發(fā)表于頂級期刊Advanced Materials上。他提出以憶阻器替代當前主流的互補金屬氧化物半導體（CMOS）器件來實現邏輯計算，構建了計算和存儲一體化的新型硬件信息處理系統。其中，憶阻器兼?zhèn)溥壿嬘嬎愫蛿祿鎯Φ碾p重功能，極大地減少了數據在系統各個部分之間的交換，提高了計算效率。

2014年獲得IEEE EDS博士研究生獎學金

“大腦就是存算一體的系統，所以能不能模仿人腦去做一個機器？”黃鵬解釋說，阿爾法圍棋（AlphaGo）擊敗李世石用了176個GPU、1202個CPU，功耗是150000W。而李世石的大腦體積大概是1.2L，有1011個神經元，1015個突觸，思考的時候功耗是20W。“大腦的功耗這么小，這么聰明，這里面還有這么大容量的神經元、突觸，給了我們很多啟發(fā)。”為此，黃鵬作為研究骨干參與到科技部重點研發(fā)計劃“基于二維材料的電子突觸”項目的研究中，他想通過向大腦尋找答案，看看大腦是如何處理計算的，大腦擁有的神經突觸是否能通過仿真技術做出電子突觸。

授人以漁育學生

2020年是黃鵬在北京大學的第十年，10年聽起來很漫長，但是因為有著老師、朋友、同事的陪伴和鼓勵，他的每一步都走得很穩(wěn)健。

“博士畢業(yè)的時候，我也找過一些企業(yè)的工作，但找了一圈發(fā)現我還是更喜歡科研工作，另外我覺得教書育人是一份很神圣的工作。”黃鵬覺得把一名學生從初出茅廬培養(yǎng)成科研棟梁，是一個非常有成就感的過程。

但教書育人并不是一個簡單的工作，黃鵬感觸最深的是教育理念的轉變。“剛開始的時候，我覺得把基本的知識教給學生就可以了。”但不管是導師劉曉彥教授的教導，還是北京大學對新老師的培訓，傳達給黃鵬的是，“重要的是教授學習的方法，而不是教具體的知識”。“教給學生具體的知識，學生可能會忘，但是教具體的學習方法，學生基本上都不會忘，而且會用在學習新的知識點上，融會貫通。”古語云，授人以魚不如授人以漁，黃鵬深深感受到了“捕魚”的方法有多重要。

當被記者問到，北京大學最吸引他的地方在哪里時，黃鵬給出了兩個答案：一是學術自由的氛圍，二是強烈的批判精神。

對做學術的人來說，學術自由是最重要的，黃鵬在北京大學最特別的感受是：“沒有人會和你說必須要做什么，你想做什么都是可以的。”黃鵬認為學術自由才能讓自己在科研上得到更大的發(fā)展。同時在學術自由氛圍的影響下，黃鵬更注重鼓勵學生的思維要無拘無束、天馬行空。

而北京大學強烈的批判精神，對科研幫助更大。“真理是越辯越明，有爭議才有進步，很多時候偉大的發(fā)明必須要有批判的精神才行。”在黃鵬看來，學生不僅要有批判的精神，更要有克服困難的能力。“因為想要把事情做到有價值，做出比較好的成果，一定會遇到困難。”黃鵬經常和學生說，如果做一件事情一帆風順，始終沒有遇到任何困難，那說明做的事情沒有任何價值，因為換一個人也能做相同的事情。解決困難的能力，并不是每一個人生來就有的，但困難總是和人不期而遇，如何邁過這個坎，考驗著每一個想要在學術上攀登頂峰的人。黃鵬堅信，學生遇到困難、解決困難獲得的收獲，永遠要比一帆風順獲得的收獲更多，成長得更快。

“頂天立地”做科研

在過去的10年里，以深度神經網絡為代表的人工智能技術對人類產生了深遠的影響。如何才能更進一步，從弱人工智能跨入強人工智能，叩問著每一個智能研究者的心。

越來越多的科學家意識到，發(fā)展人工智能的關鍵并非簡單地提高計算能力和增加數據，而是如何建立一個類腦的智能模型。黃鵬研究的類腦計算、存算一體就是向生物找答案，向人類大腦找答案，而受到大腦啟發(fā)的硬件設計，將帶領人工智能走向新的道路。

談到研究、談到未來，黃鵬侃侃而談，目光堅定，但他也經歷過一段非常迷茫的時期。“博士的第四年和第五年，是我最迷茫的時候。”在那時，黃鵬還不能確定最終的研究方向，經常是做了兩三個月的工作之后，發(fā)現別人已經解決了這個問題，甚至比他做得還好。黃鵬很苦惱，懷疑自己是否適合科研工作，“相當于船在大海迷失了方向，一直在原地打轉”。導師劉曉彥教授如此教導黃鵬，“你不能急，越急越找不到合適的方向，尋找方向本身就是一種修煉，你不必擔心最后能否修煉得道，最重要的是你成長的過程”。黃鵬在家人和老師的鼓勵支持下，走出了這段艱難的歲月，找到了自己的前進方向。

十幾年的科研之路，除了一路上家人和師長的支持，對科研的理想和情懷是黃鵬堅持下去的最大動力。課題組的康晉鋒教授曾對黃鵬說，做微電子研究既要“頂天”又要“立地”。所謂“頂天”就是要有科學的理論，做最前沿的學術研究，掌握這一領域的最新動態(tài)。康晉鋒教授希望在退休前能建立一套統一的理論，總結出這些微電子研究領域中許多神奇的物理現象，這也是黃鵬的終極目標。

“立地”是理論能運用，研究成果能落地。黃鵬希望通過目前正在進行的憶阻器項目，與科技公司合作，真正做出一些產品來，能夠把國家在集成電路方面的短板補齊。“我希望自己能像錢學森這樣滿懷報國情的老一輩科學家一樣，為祖國的發(fā)展貢獻出自己的一份力量。”